大气悬浮颗粒PM<sub>10</sub>对感烟火灾探测器本底效应研究

摘要

针对大气污染引起的悬浮颗粒,尤其是可吸入颗粒（PM₁₀）对感烟火灾探测器产生的本底效应进行了分析，并以离子型感烟探测器为例对本底值进行计算，通过比较，显示不同程度的大气颗粒物污染对感烟探测器本底影响的差异极小，排除了感烟探测器在悬浮颗粒污染严重地区发生灵敏度和误报率升高的可能。确认目前各国感烟火灾探测器检测标准对灵敏度指标的规定可以统一，粒子计数等高分辨率颗粒浓度测量技术的发展将使该本底效应的影响不可忽略。

正文

《1 前言》

1 前言

发生火灾时产生的烟是指人眼可见的燃烧生成物——粒子直径为0.01～10 μm的液体或固体微粒悬浮于空气之中 ^[1]。感烟火灾探测器根据检测烟雾浓度做出火灾是否发生的判断, 目前主要分两种:离子型与光电型。在离子感烟火灾探测器中, 利用放射元素产生α射线使电离室内的空气电离, 从而使电离室在电子线路中呈现电阻特性。当烟雾进入电离室后, 改变了空气电离的离子数量, 因此改变了电离电流, 也就相当于电离室阻值发生了变化, 通过电阻变化大小就可得知烟雾大小, 并做出是否发生火灾的判断。光电感烟火灾探测器, 则根据烟雾粒子与光相互作用时, 既可以发生散射从而以同样波长向所有方向辐射已接收能量, 又可通过吸收将辐射能转变成其它形式的能, 从而设计出减光式和散射光式感烟探测器。

环保部门对大气成分的监测表明, 空气中长期悬浮大量污染颗粒。大气总悬浮颗粒 (TSP) 和可吸入颗粒 (PM₁₀) 质量浓度已作为衡量悬浮颗粒多少的首要指标。其中PM₁₀已成为众多大中城市的首要大气污染物 ^[2]。大气悬浮颗粒中约有1/4为降尘 (粒径为10～100 μm) , 其在空中停留期短, 受重力作用很快降落, 外界环境影响下这部分颗粒的浓度可能突然升高而对感烟探测器造成误报;而PM₁₀是指粒径小于10 μm、在大气中停留较长时间的颗粒物, 它可以几小时甚至长达几年漂浮在大气中。PM₁₀污染物对人体呼吸系统的危害引起国内外流行病学和毒理学研究人员的高度重视 ^[3,4]。在火灾探测领域, 由于探测器实际工作时始终处于这些悬浮颗粒的包围中, 且这些悬浮粒子与火灾中生成的烟雾粒子一样, 能对电离室电阻值发生影响或者与光发生散射和吸收作用。因此, 这些长期悬浮于大气中的可吸入颗粒PM₁₀使感烟火灾探测器始终存在“本底烟雾值” (电子器件和电子线路的噪声也引起本底烟雾值, 文中“本底烟雾值”均指由悬浮颗粒引起部分) 。

《2 本底值影响分析》

2 本底值影响分析

不同国家或不同地区间由于使用燃料不同、气象条件差异将导致其PM₁₀的质量浓度ρ_PM₁₀不同。如图1所示, D₁、D₂分别对应大气污染程度不同的两地区中PM₁₀对感烟探测器引起的两个本底烟雾值;若D₁与D₂之差足够大, 则原本具有相同灵敏度的感烟火灾探测器在本底烟雾值不同环境下对同一烟源的反应将不同。本底烟雾值大时, 探测器从正常状态到其报警阈值所需烟浓度增加值ΔD₁比小本底烟雾值D₂环境下所需的ΔD₂小。因此, 必然造成同一探测器的灵敏度因所处环境ρ_PM₁₀的差异而不同:ρ_PM₁₀大时, 本底烟雾值也大, 导致探测器灵敏度“自然”提高, 同时误报率也上升。不同地区间ρ_PM₁₀的差异是否对探测器的灵敏度与误报率产生影响, 关键在于ρ_PM₁₀对本底烟雾值的影响有多大。若其差值小于目前感烟火灾探测器分辨能力, 即图1中两条曲线在现有感烟火灾探测器分辨能力意义上重合, 则ρ_PM₁₀的差异对探测器灵敏度和误报率的影响可忽略;否则, 为了防止误报率的升高, 悬浮颗粒物污染程度不同国家或地区之间对感烟探测器灵敏度规定必须依据所在地ρ_PM₁₀制定。

《图1》

图1不同本底值时同一火源引起的烟浓度变化对比曲线

Fig.1 Compare of the smoke density increase according to the same smoke source between two different base-smoke-density

《3 本底值计算及讨论》

3 本底值计算及讨论

由上述分析知, 不同ρ_PM₁₀引起的本底烟雾值差异的大小决定了其对探测器灵敏度和误报率影响的程度。因此, 必须对大气中不同ρ_PM₁₀产生的本底烟雾值进行计算与比较。国标 ^[5]中规定用于测量离子型感烟火灾探测器响应阈值的高精度测量仪器为离子烟浓度计 ^[6], 因此, 以离子感烟火灾探测器为例, 导出ρ_PM₁₀与离子烟浓度计测量值y之间的函数关系y=f (ρ_PM₁₀) 。根据地区间、国家间ρ_PM₁₀的差异, 结合环保部门对空气质量评价中不同等级所对应的ρ_PM₁₀差异, 得出ρ_PM₁₀差值对应的y值相差大小, 将其与目前离子烟浓度计的最高分辨能力y_H相比较, 最终确定ρ_PM₁₀的差异是否对目前感烟火灾探测器灵敏度和误报率产生影响, 具体计算如下。

对于离子式感烟探测器, 粒子进入电离室后, 电离电流下降, 电离室阻抗升高。Hosemann J.P. ^[7] 指出, 电离电流下降的相对值x与粒子数浓度z和粒子平均粒径 $\bar{d}$ $\bar{d}$ 的乘积z· $\bar{d}$ $\bar{d}$ 之间存在下列关系:

$z \cdot \bar{d} = η \cdot y ‚ (1)$ $z \cdot \bar{d} = η \cdot y ‚ (1)$

式中: $y = x \cdot \frac{2 - x}{1 - x}$ $y = x \cdot \frac{2 - x}{1 - x}$

x:电离电流相对变化量,

$x = \frac{Δ Ι}{Ι_{0}} = \frac{Ι_{0} - Ι}{Ι_{0}}$ $x = \frac{Δ Ι}{Ι_{0}} = \frac{Ι_{0} - Ι}{Ι_{0}}$ ;

I₀:无粒子时的电离电流, pA;

I:有粒子时的电离电流, pA;

$\bar{d}$ $\bar{d}$ :粒子的平均粒径, μm;

z:粒子数浓度, cm^-3;

η:电离室常数, cm^-2;

η值由下式决定:

$η = \frac{3 \cdot R_{0} \cdot Ι_{S} \cdot μ}{0.307 \cdot L^{2}} ‚ (2)$ $η = \frac{3 \cdot R_{0} \cdot Ι_{S} \cdot μ}{0.307 \cdot L^{2}} ‚ (2)$

式中 R₀:电离室等效电阻;

I_S:饱和电流;

μ:平均离子迁移率;

L:电极间距, cm;

国家标准GB4715-93 ^[5]给出的离子烟浓度计 ^[6]电离室参数为:R₀=1.9×10¹¹ Ω±5%, L=3 cm, 试验得知I_S=600 pA, 取μ=1.6 cm/V·S, 则电离室常数η=198 cm^-2, 代入 (1) 式并将单位统一为国际标准单位, 得到离子烟浓度计测得的y值与粒子平均粒径 $\bar{d}$ $\bar{d}$ 和粒子数浓度z在特定电离室条件下的定量关系为:

$y = 0.015 \cdot \bar{d} \cdot Ζ \cdot 10^{- 5} 。 (3)$ $y = 0.015 \cdot \bar{d} \cdot Ζ \cdot 10^{- 5} 。 (3)$

而国内外环保部门测量的是PM₁₀在大气中的质量浓度 (mg/m³) , 将其换算为颗粒数浓度, 其关系如下所示:

$Ζ = \frac{ρ_{Ρ Μ_{10}}}{\frac{4}{3} \cdot 3.14 \cdot (\frac{\bar{d}}{2})^{3} \cdot ρ \cdot 10^{6}} ‚ (4)$ $Ζ = \frac{ρ_{Ρ Μ_{10}}}{\frac{4}{3} \cdot 3.14 \cdot (\frac{\bar{d}}{2})^{3} \cdot ρ \cdot 10^{6}} ‚ (4)$

式中 $\bar{d}$ $\bar{d}$ :粒子平均粒径, m;

ρ:颗粒密度, kg/m³;

将式 (4) 代入式 (3) 并化简得到y值与ρ_PM₁₀值之间的关系:

$\begin{array}{l} y = \frac{6 \times 0.051 \times 10^{- 11}}{3.14 \times ρ \times \bar{d}^{2}} \cdot ρ_{Ρ Μ_{10}} = \\ \frac{9.745 \times 10^{- 13}}{ρ \cdot \bar{d}^{2}} \cdot ρ_{Ρ Μ_{10}} 。 \end{array}$ $\begin{array}{l} y = \frac{6 \times 0.051 \times 10^{- 11}}{3.14 \times ρ \times \bar{d}^{2}} \cdot ρ_{Ρ Μ_{10}} = \\ \frac{9.745 \times 10^{- 13}}{ρ \cdot \bar{d}^{2}} \cdot ρ_{Ρ Μ_{10}} 。 \end{array}$

令 $k = \frac{9.745 \times 10^{- 13}}{ρ \cdot \bar{d}^{2}}$ $k = \frac{9.745 \times 10^{- 13}}{ρ \cdot \bar{d}^{2}}$ 则离子烟浓度计测得的y值与ρ_PM₁₀值间函数关系为:

$y = k \cdot ρ_{Ρ Μ_{10}} 。 (5)$ $y = k \cdot ρ_{Ρ Μ_{10}} 。 (5)$

ρ_PM₁₀颗粒密度取粘土密度ρ=1 460 kg/m³, 平均直径取 $\bar{d} = 3 μ m$ $\bar{d} = 3 μ m$ , 则

$k = \frac{9.745 \times 10^{- 13}}{1460 \times (1.5 \times 10^{- 6})^{2}} = 2.967 \times 10^{- 4} ‚$ $k = \frac{9.745 \times 10^{- 13}}{1460 \times (1.5 \times 10^{- 6})^{2}} = 2.967 \times 10^{- 4} ‚$

故有

$y = 2.967 \times 10^{- 4} \times ρ_{Ρ Μ_{10}} 。 (6)$ $y = 2.967 \times 10^{- 4} \times ρ_{Ρ Μ_{10}} 。 (6)$

因此, 由国家环保部门对空气质量分类各等级对应的ρ_PM₁₀值, 再根据 (6) 式可计算出的响应y值, 其结果列于表1。

由表1计算结果可见, 大气受重污染与大气质量为优之间可吸入颗粒浓度相差值Δρ_MP₁₀约为0.420 mg/m³, 对应的y相差值Δy为1.246×10^-4, 而离子烟浓度计的最高分辨率为Δy_H=0.02, 比Δy大得多。同时国内外环保部门测得的数据 ^{[2,8,9,10,11,12,13,14,15]}表明, 无论是各国间, 还是同一国家各地区之间ρ_PM₁₀的差异均小于Δρ_PM₁₀, 因此目前离子烟浓度计无法分辨出悬浮颗粒污染程度不同的地区间不同ρ_PM₁₀所产生的本底值差异, 即目前感烟火灾探测器的分辨率无法识别大气中ρ_PM₁₀产生的本底效应, 计算结果也说明图1中两条曲线应几乎重合。

表1空气质量分类、ρ_PM₁₀值及y值对应关系

Table 1 The relationship among air quality, ρ_PM₁₀ and y

《表1》

空气质量状况	ρ_PM₁₀/mg·m^-3	y/10^-4
优	0<ρ_PM₁₀≤0.050	0<y≤0.148
良	0.050<ρ_PM₁₀≤0.150	0.148<y≤0.445
轻微污染	0.150<ρ_PM₁₀≤0.250	0.445<y≤0.742
轻度污染	0.250<ρ_PM₁₀≤0.350	0.742<y≤1.038
中度污染	0.350<ρ_PM₁₀≤0.385	1.038<y≤1.142
中度重污染	0.385ρ_PM₁₀≤0.420	1.142<y≤1.246
重污染	0.420<ρ_PM₁₀	1.246<y

《4 结论》

4 结论

目前的离子型感烟火灾探测器的分辨率无法识别本底效应的差异。因此, 各国或各地区间对感烟探测器灵敏度指标可以统一, 不会出现在PM₁₀浓度高地区工作由于本底烟雾值大而产生灵敏度与误报率升高的问题。但是, 随着粒子传感技术的飞快发展, 特别是具有高分辨率的粒子计数式烟雾浓度测量技术的发展, 大气悬浮微粒PM₁₀对感烟火灾探测器的本底效应, 以及污染程度不同地区间本底烟雾值差异对探测器灵敏度和误报率的影响将引起相关人员的重视。

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